(57)【要約】【課題】  小型に形成でき、かつ小さい結像倍率を得ることができる照明光学系および投射型表示装置を提供する。【解決手段】  投射型照明装置を構成する照明光学系１Ｂの光学系は、光路に沿って第１リレーレンズ３、第２リレーレンズ４、絞り機能を有するフィールドレンズ５を有し、第２リレーレンズ４のレンズ裏面４ｂはミラー面に形成する。光源部から出射された光束はロッドインテグレータ２、第１リレーレンズ３を透過して第２リレーレンズ３のレンズ表面４ａに入射し、レンズ裏面４ｂにて反射してレンズ表面４ａから出射する。第２リレーレンズ４から出射した光束はフィールドレンズ部５を透過してＤＭＤ部６の表面部に入射する。第２リレーレンズのレンズ裏面４ｂを反射面としたことにより、第２リレーレンズ４とフィールドレンズ部５との間の光路を短くできるため、結像倍率を小さくしても照明光学系１Ｂおよび投射型照明装置を小型に形成できる。【選択図】図２
2006189538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部から発せられた光束を導光する光路の一部にレンズ表面から入射した光束をレンズ裏面で反射し前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を設けた光学系と、
前記光学系により導光された前記光束の照射を受ける反射型表示素子と
を有することを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
光源部から発せられた光束の照度分布を均一化させて出射するインテグレータ部と、
前記インテグレータ部から出射された前記光束を導光する光学系と、
前記光学系により導光された前記光束の照射を受ける反射型表示素子部と、
を有する照明光学系において、
前記光学系は複数のレンズ部を備え、前記複数のレンズ部のうち少なくとも１のレンズ部は、レンズ表面から入射した前記光束を反射する反射手段をレンズ裏面に備え、前記反射手段により反射された前記光束を前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を有することを特徴とする照明光学系。
【請求項３】
前記光学系は前記光源部から発せられる前記光束の光路に沿って順番に第１レンズ部、第２レンズ部、第３レンズ部を備え、前記第２レンズ部は前記ミラーレンズ部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記レンズ表面における曲率半径をＲ１とし、前記レンズ裏面における曲率半径をＲ２としたとき、｜Ｒ２｜＞Ｒ１＞０であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記インテグレータ部の出射面での照明サイズに対する前記反射型表示素子の表面部における照明サイズの比である結像倍率をβとしたとき、β≦1.5であることを特徴とする請求項２から４までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記第３レンズ部は絞り機能を有するフィールドレンズ部であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記ミラーレンズ部の前記レンズ表面又は前記レンズ裏面のうち少なくとも一方の面は非球面に形成したことを特徴とする請求項３から６までのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記ミラーレンズ部の前記レンズ表面と前記レンズ裏面とが異なる曲率を有する複合曲面を形成することを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
【請求項９】
光源部と、
前記光源部から発せられた光束を導光する光路の一部にレンズ表面から入射した光束をレンズ裏面で反射し前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を設けた光学系と、
前記光学系により導光された前記光束の照射を受けて結像する照射面を備えた反射型表示素子と、
を有することを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系に関し、特に照明光学系を用いた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反射型表示素子であるＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ(以下、ＤＭＤと称する。)を用いたＤｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（登録商標）方式(以下、「ＤＬＰ方式」と称する。)プロジェクタが普及している。ＤＬＰ方式の中でも最もコンパクトなタイプである単板式ＤＬＰ方式の投射型表示装置（プロジェクタ）において、フィールドレンズを用いた照明光学系が用いられている。
【０００３】
図１０に、従来の単板式ＤＬＰ方式の投射型表示装置、および従来の投射型表示装置に用いられる、フィールドレンズを用いた従来の照明光学系を示す。従来の投射型表示装置１００Ａは、楕円リフレクター１０２の一方の焦点部に白色光を発する超高圧水銀ランプ等からなるランプを配置した光源部１０１と、照明光学系１００Ｂと、画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズ１０９とを有する。照明光学系１００Ｂは、光源部１０１から発せられた光束を取り込み射出面での照度ムラを低減させるインテグレータ部１０３と、インテグレータ部１０３の出射面近傍に配置され、光源部からの白色光を光の３原色である赤、青、緑に時分割するカラーホイール１０４と、インテグレータ部１０３の出射面と結像面が共役になるように設計されるリレーレンズ部の第１レンズ部としての第１リレーレンズ部１０５ａ、第２レンズ部としての第２リレーレンズ部１０５ｂと、光束の進行方向を変更するミラー部１０６と、リレーレンズ部の１部であり、第１リレーレンズ部１０５ａ、第２リレーレンズ部１０５ｂから入射した光束を光軸と該平行（以下「テレセントリック」と称する。）にして出射させ、反射型表示素子部としてのＤＭＤ部１０８から入射した光束を光軸方向に収束させて出射する第３レンズ部としてのフィールドレンズ部１０７と、微細なマイクロミラーの角度を高速揺動し投射レンズ１０９に出射される主光束量を制御するＤＭＤ部１０８とを有する（たとえば、非特許文献１参照）。図１０に示す照明光学系１００Ｂにおいては、インテグレータ部１０３の出射面の像に対するＤＭＤ部１０８の表面に結像する像の倍率を結像倍率とした場合、光の利用効率を高くするために結像倍率を等倍よりも大きくする（通常３倍程度）のが一般的であった。
【０００４】
一方、近年は画像表示素子の製造技術の向上によりＤＭＤ部のパネルサイズの小型化が進み、照明光学系の結像倍率を従来よりも小さく（すなわち等倍に近く）する必要が生じている。
【非特許文献１】ウシオ電機株式会社“新しい表示デバイスによるプロジェクタの現状と動向（図3-32,図3-33）”  ウシオ技術情報誌  ライフエッジ2000年7月［online］［平成１６年１０月２２日検索］、インターネット、＜URL: http://www1.ushio.co.jp/tech/le/le19/19_03_05.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１１の光学系のレンズにおける焦点距離と結像倍率との関係の原理図に示すように、３枚のレンズ（光束の入射側から第１レンズ１１１、第２レンズ１１２、第３レンズ１１３とする）で光路を形成する照明光学系においては、インテグレータ部（図１１に図示せず）側もＤＭＤ部（図１１に図示せず）側もテレセントリックである光学系（以下「両側テレセントリック」と称する。）とした場合、第１レンズ１１１と第２レンズ１１２との距離Ｌ１が第１レンズの焦点距離ｆ１にほぼ等しくなるように配置され、第２レンズ１１２と第３レンズ１１３との距離Ｌ２が第３レンズ１１３の焦点距離ｆ３にほぼ等しくなるように配置される。第１レンズ１１１に光束を入射するインテグレータ部（図１１に図示せず）の光束出射面における像と第３レンズ１１３から出射する光束を受光するＤＭＤ部（図１１に図示せず）の表面に結像する像との倍率を結像倍率とすると、結像倍率はｆ３／ｆ１であり、結像倍率は第１レンズ１１１と第２レンズ１１２との距離Ｌ１、および第２レンズ１１２と第３レンズ１１３との距離Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１に近くなるため、結像倍率が等倍に近づくと光学系の中心付近にレンズが配置されることとなる。
【０００６】
そして、図１０に示す照明光学系１００Ｂにおいては第２リレーレンズ部１０５ｂ（図１１の第２レンズ１１２に対応）とフィールドレンズ部１０７（図１１の第３レンズ１１３に対応）との間にミラー部１０６を設けるため、距離Ｌ２が長くなり、結像倍率を小さくして等倍に近づけると距離Ｌ１も長くなり、照明光学系１Ａの光軸方向の大きさが長大化して装置が大型化してしまう。
【０００７】
また、近年は光源部にRED(以下Rと記載)、GREEN(以下Gと記載)、BLUE(以下Bと記載)の単色の発光ダイオード（以下LEDと記載）を用いた投射型表示装置や、ＬＥＤの光源部から供給された光束を用いる照明光学系が提案されている。しかし一般にLEDの輝度は超高圧水銀ランプ等よりも劣るので、スクリーンを十分な明るさで照らすためには各LEDの発光面の面積を大きくしなければならず、光源部は必然的にある程度の大きさが必要になる。したがって、図１０に示す投射型照明装置１Ａおよび照明光学系１Ｂにおいて光源部にLEDを用いても、結像倍率を小さくすれば装置が大型化する問題を解消することはできない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の上記目的は、小型に形成でき、かつ小さい結像倍率を得ることができる照明光学系および投射型表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記課題は、光源部から発せられた光束を受け入射した前記光束の光量分布を均一化させて出射するインテグレータ部と、前記インテグレータ部から出射された前記光束を導光する光学系と、前記光学系により導光された前記出射光束の照射を受ける照射面を備えた反射型表示素子部とを有する照明光学系において、前記光学系は複数のレンズ部を備え、前記複数のレンズ部のうち少なくとも１つのレンズ部は、表面側から入射した前記光束を反射する反射手段を裏面側に備え、前記反射手段により反射された前記光束を表面側から出射するミラーレンズ部である照明光学系によって達成される。
【００１０】
そして、照明光学系を形成する複数のレンズ部のうち１つのレンズ部をミラーレンズによって形成することにより、レンズ部と別個にミラー部を設ける必要がなくなって、結像倍率を小さくした場合であっても光学系における光路を短くすることができる。
【００１１】
また、本発明の上記課題は、光源部と、前記光源部から発せられた光束を導光する光路の一部にレンズ表面から入射した光束をレンズ裏面で反射し前記レンズ表面から出射させるミラーレンズ部を設けた光学系と、前記光学系により導光された前記光束の照射を受ける照射面を備えた反射型表示素子部とを有する投射型表示装置によって達成される。
【００１２】
そして、投射型表示装置にミラーレンズを用いた照明光学系を用いることにより、投射型表示装置を構成する光学系を、結像倍率を小さくしつつ光路を短くすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、照明光学系自体の大きさを小さく形成し、かつ小さい結像倍率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に、本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成概略図を示す。投射型表示装置１Ａは、光源部１と、本発明に係る照明光学系１Ｂと、投射レンズ７とを有している。
【００１５】
図２に、本発明の一実施の形態に係る照明光学系１Ｂの上面図および右側面図の構成概略図を示す。照明光学系１Ｂは、インテグレータ部としてのロッドインテグレータ２と、第１レンズ部としての第１リレーレンズ部３と、第２レンズ部としての第２リレーレンズ部４と、第３レンズ部としてのフィールドレンズ部５と、反射型表示素子部としてのＤＭＤ部６とを有している。第１リレーレンズ部３および第２リレーレンズ部４およびフィールドレンズ部５は、図２に示す照明光学系１Ｂにおいて光学系を形成している。
【００１６】
図１に示す光源部１はＬＥＤ光源であって、立方体形状のクロスプリズム１２の三方に光の３原色である赤（Ｒ）に発光するＲのLED９、同じく緑（Ｇ）に発光するＧのLED１０、同じく青（Ｂ）に発光するＢのLED１１が設けられている。
【００１７】
図４に、図１に示す光源部１の拡大図を示す。光源部１のクロスプリズム１２は、ＲのLED９との対向面の一端側からＢのLED１１との対向面の他端側にかけて設けられた第１傾斜面１２ａと、ＲのLED９との対向面の他端側からＢのLED１１との対向面の一端側にかけて設けられた第２傾斜面１２ｂとを内部に設け、ＧのLED１０の対向面に光束が外部に向けて出射される出射部１２ｃを設けている。第１傾斜面１２ａには複数の誘電体の交互膜で構成されＲの波長の光を反射するＲ反射の誘電体多層膜がコートされ、第２傾斜面１２ｂには複数の誘電体の交互膜で構成されＢの波長の光を反射するＢ反射の誘電体多層膜がコートされている。
【００１８】
図１および図２に示すとおり、ロッドインテグレータ２は、四角柱状の筒内面を反射面に形成した構造を有し、光源部１の光束出射部１２ｃに対向する一端面に光束を入射する入射面２ａを有し、他端面に光束を出射する出射面２ｂを有する。
【００１９】
第１リレーレンズ部３は透明ガラスなどの透明体によって形成された両面が凸状の凸レンズであり、光軸をロッドインテグレータ２の出射面２ｂの中心部にほぼ一致させた状態に設けられている。第１リレーレンズ部３の両面は表面を球の一部を切り取って形成した曲面に形成した球面レンズ（以下「球面レンズ」と称する。）の形状であってもよいし、球面以外の曲面に形成したレンズ（以下「非球面レンズ」と称する。）の形状であってもよい。
【００２０】
第２リレーレンズ部４は、第１リレーレンズ部３の光軸上であってレンズ表面４ｂが第１リレーレンズ部３の焦点位置とほぼ一致する位置に、レンズ表面４ａの光軸方向を第１リレーレンズ部３とフィールドレンズ部５との間隙方向に向けた状態で設けられている。第２リレーレンズ部４は透明ガラスなどの透明体によって形成されており、レンズ表面４ａが凸状の曲面形状に形成され、レンズ表面４ｂが凹状の曲面形状に形成されている。第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ｂは、アルミニウムやクロムや銀などの金属を蒸着したミラー面に形成されている。なお、第２リレーレンズ部４はレンズ表面４ａが第１リレーレンズ部３やフィールドレンズ部５の光軸に対して斜め方向に向いており収差の影響が大きくあらわれる傾向があるので、収差を抑止できる形状である非球面レンズの形状とすることが望ましい。また上記レンズ表面ｂは本実施の形態に係る光学照明系１Ｂにおいて開口絞りの機能を有する。
【００２１】
フィールドレンズ部５は、光軸であるレンズ面の法線方向がロッドインテグレータ２および第１リレーレンズ部３の延長線と直角方向に向いた状態で設けられている。
【００２２】
フィールドレンズ部５は、透明ガラス等の透明体によって形成され、レンズ表面５ａが凸状の曲面形状に形成されるとともにレンズ裏面５ｂが平面に形成されており、レンズ表面５ａまたはレンズ裏面５ｂから入射した光束を収束させてレンズ裏面５ｂまたはレンズ表面５ａから出射する。レンズ表面５ａ、レンズ表面５ｂは、球面レンズの形状であっても非球面レンズの形状であってもよい。
【００２３】
ＤＭＤ部６は、入射した光束を所定の方向に反射する画像表示素子である。
【００２４】
図３にＤＭＤ部６を側面から見た状態の概略を示す部分拡大図を示す。図３においては、右側がＤＭＤ部６の表面側であり、左側がＤＭＤ部６の裏面側である。ＤＭＤ部６は、ＣＭＯＳ等で形成されたメモリ半導体部６ａの表面部に、ヒンジで回転可能に軸支された角１３．７μｍあるいは角１６．２μｍのマイクロミラーが必要な解像度の数だけ２次元方向に並べられている。図３には例示のため２枚のマイクロミラー６０、６１のみを示してある。ＣＭＯＳメモリ半導体部６ａに導電するとマイクロミラー６０、６１と基板部６ａとの間には静電引力が働きマイクロミラー６０、６１はそれぞれ水平位置から±１２°(または±１０°)の間の角度に揺動する。
【００２５】
図１に戻り、投射レンズ７は、例えば、複数のレンズ群や、レンズ群にカム作用を及ぼしてレンズ相互間の距離を相対的に変動させるカム筒や、カム筒を回転駆動するモータなどをレンズ鏡胴に内蔵した構成である。レンズ相互間の距離が変動することにより、出射される光束の焦点位置やスクリーン（図示せず）に投影される画像の倍率などを調整できる。
【００２６】
光吸収板８はＤＭＤ部６から投射レンズ７にいたる光路の周辺に設けられており、表面に入射した光束を吸収する素材により形成されている。
【００２７】
図１に示す本実施の形態における投射型表示装置１Ａ、および図２に示す本実施の形態に係る照明光学系１Ｂの光学的な作用を説明する。説明には図３および図４も使用する。
【００２８】
図１の投射型表示装置１Ａを形成する光源部１は、図４に示すとおり、ＲのLED９から発せられた光束が第１傾斜面１２ａで反射して光束出射部１２ｃ方向に進み、ＢのLED１０から発せられた光束が第２傾斜面１２ｂで反射して光束出射部１２ｃ方向に進み、ＧのLED１１から発せられた光束が第１傾斜面１２ａおよび第２傾斜面１２ｂを透過して光束出射部１２ｃ方向に進む。光源部１の光束出射部１２ｃからはＲＧＢの光が混色された白色光の光束が出射される。
【００２９】
図１に示すとおり、光源部１の光束出射部１２ｃから出射した光束は、ロッドインテグレータ２の入射面２ａに入射する。ロッドインテグレータ２は、入射面２ａから入射した光束を内面で複数回反射させる。ロットインテグレータ２の出射面２ｂでは、照度分布が均一となり照度が均一となった光束が一定角度範囲に向けて出射される。
【００３０】
図２に示すとおり、ロットインテグレータ２の出射面２ｂから出射された光束は第１リレーレンズ部３に入射する。第１リレーレンズ部３は入射した軸外主光線を光軸方向に屈折させて、収束する光束として出射する。
【００３１】
第１リレーレンズ部３から出射された光束は第２リレーレンズ部４に入射する。第２リレーレンズ部４は、レンズ表面４ａから入射した光束をレンズ内部を透過させてレンズ表面４ｂのミラー面に反射させ、反射した光束を再びレンズ内部を透過させ、レンズ表面４ａからフィールドレンズ部５方向に発散光として出射させる。
【００３２】
第２リレーレンズ部４から出射した光束はフィールドレンズ部５のレンズ表面５ａに入射する。フィールドレンズ部５は、レンズ表面５ａから入射した軸外光線を光軸方向に収束させてレンズ裏面５ｂから出射する。なお、ＤＭＤ部６のマイクロミラー６０、６１にあたる光束の角度をほぼ均一とし、光束照射面におけるコントラストムラを排除するため、フィールドレンズ部５のレンズ裏面５ｂから出射する光束はテレセントリックであることが望ましい。
【００３３】
フィールドレンズ部５のレンズ裏面５ｂから出射された光束はＤＭＤ部６に入射し、ＤＭＤ部６の表面部に設けられたマイクロミラー６０、６１には、ロッドインテグレータ２の出射面２ｂの像が結像し、光束が反射される。
【００３４】
図３に示すとおり、ＤＭＤ部６のＣＭＯＳメモリ半導体部６ａの表面に設けられたマイクロミラー６０、６１の揺動角度が＋１２度の場合（図３におけるマイクロミラー６０の傾斜状態）においては、フィールドレンズ部５から入射した入射光束は、図３に示すマイクロミラー６０の角度に規制されて法線方向に反射し、反射した光束は図１に示す投射レンズ７に取り込まれる。揺動角度が−１２度の場合（図３におけるマイクロミラー６１の傾斜状態）においては、入射光束は図３に示すマイクロミラー６１の角度に規制されて反射し、反射した光束は投射レンズ７の外に反射され図３に示す光吸収板８に吸収される。
【００３５】
したがって、マイクロミラー６０、６１を高速動作させて法線方向に反射する光束の量を変えることにより、投射レンズ７に入射する光束の量が制御される。
【００３６】
図３に示すとおり、ＤＭＤ部６のマイクロミラー６０、６１が反射した光束のうち、法線方向に反射された光束はフィールドレンズ部５のレンズ裏面５ｂに入射する。フィールドレンズ部５は、レンズ裏面５ｂから入射した軸外光線を光軸方向に収束させてレンズ表面５ａから出射し、図１に示す投射レンズ７に入射させる。投射レンズ７に入射した光束は、内部のレンズ郡（図示せず）を透過して外部に射出される。
【００３７】
図１に示す投射レンズ７から外部に出射された光束は、スクリーン（図示せず）にて投射される。スクリーン（図示せず）上の画像の明るさは、ＤＭＤ部６のマイクロミラー６０、６１が投射レンズ７方向に反射した光束の量に依存して変化するため階調表現が可能となる。
【００３８】
ここで、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂを構成する第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａおよびレンズ表面４ｂの曲率半径について検討する。
【００３９】
一般に光学系において、光軸と主光線を含む面をメリジオナル面、主光線を含みメリジオナル面に垂直な面をサジタル面という。メリジオナル面、サジタル面の結像位置が異なることを非点収差といい、１点の像が１点に集まらず２焦点に集まってしまう。
【００４０】
メリジオナル面での物体距離ｔと像距離ｔ’との間には式（１）の関係が成立する。
【００４１】
【数１】
2006189538.tif 000003
【００４２】
また、サジタル面での物体距離ｓと像距離ｓ’との間には式（２）の関係が成立する。
【００４３】
【数２】
2006189538.tif 000004
【００４４】
式（１）および式（２）において、Ｉは曲面への入射角度、Ｉ’は曲面からの射出角度、ｎは物体面と曲面との間の媒質の屈折率、ｎ’は曲面と像面との間の媒質の屈折率を示す。式（１）および式（２）において、Ｉ＝Ｉ’＝０のときに上２式は同一式となるため、サジタル像距離とメリジオナル像距離が同一となり、非点収差が発生しないことが分かる。
【００４５】
ここで、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、第２リレーレンズ部４には光軸に対して斜め方向から入射した光束を受け、入射した光束を略９０度方向に反射して光束に対して斜め方向に出射する構造であるため、上記（１）式および（２）式のＩおよびＩ’の値は０にはならない。したがって第２リレーレンズ部４から出射する光束に基づいて結像した像には非点収差が発生しやすい。非点収差が生ずると結像ボケが発生し、結像した画像における面内照度が不均一となり、光の利用効率も低下するので、本実施の形態においても、第２リレーレンズ部４の非点収差を低減する必要がある。
【００４６】
上記するように非点収差を低減するためには、レンズの曲面に対する入射角度、射出角度をなるべく小さくするのが良い。
【００４７】
本実施の形態においては、図１および図２に示すように第２リレーレンズ部４の光束入射面であるレンズ表面４ａの曲率半径Ｒ１をＲ１＞０としたほうが光束の入射角度が小さくなる、また、第２リレーレンズ部４においてミラー蒸着が施されるレンズ裏面４ｂの曲率半径Ｒ２もＲ２＞０とした方が光束の入射角度が小さくなる。
【００４８】
しかし、第２リレーレンズ部４はレンズ全体として正の集光力としてのパワー（以下「パワー」と称する。）を有する必要がある。一方、レンズ表面４ｂに大きな正のパワーを持たせると第２リレーレンズ部４に大きな非点収差が発生してしまう。
【００４９】
したがって、第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ｂの曲率半径Ｒ２を大きくし、第２リレーレンズ部４の正のパワーは基本的には光束の入射面であるレンズ表面４ａの曲率半径Ｒ１に大きく依存するようにすれば、大きな非点収差は発生しない。
【００５０】
これより、曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２との間には
Ｒ２＞Ｒ１＞０・・・（３）
という関係が成立することが必要になる。
【００５１】
ただし設計によっては、曲率半径Ｒ２にややパワーが必要となる場合がある。その場合には曲率半径Ｒ２に負のパワーを持たせ、
｜Ｒ２｜＞Ｒ１＞０・・・（４）
となるように曲率半径Ｒ１、曲率半径Ｒ２を決定すれば、大きな非点収差を生ずることなく曲率半径Ｒ２にパワーを持たせることが可能になる。
【００５２】
以上により、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂを構成する第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａの曲率半径Ｒ１およびレンズ表面４ｂの曲率半径Ｒ２の間には、上記（４）式の関係が成立することが望ましい。
【００５３】
図５から図７に、焦点距離を同一にして曲率半径Ｒ１、曲率半径Ｒ２を変化させたときの、非点収差と、ＤＭＤ部６の表面部に結像した像面の照度分布を示す。
【００５４】
図５は第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ｂをミラー面に形成したときの、レンズ表面４ａおよびレンズ表面４ｂの形状、および第２リレーレンズ部４に入射および出射する光束の光路のシミュレーション図である。図５−１は第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａを凸状に、レンズ表面４ｂを平面状に形成し、レンズ表面４ａの曲率半径Ｒ１（以下単に「Ｒ１」と称する。）＞０かつレンズ表面４ｂの曲率半径Ｒ２（以下単に「Ｒ２」と称する。）＝∞、すなわちＲ２＞Ｒ１＞０である場合の光路のシミュレーション図である。図５−２は第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａとレンズ表面４ｂが同一の曲率半径である凸レンズに形成し、−Ｒ２＝Ｒ１＞０である場合の光路のシミュレーション図である。図５−３は、第２リレーレンズ部４のレンズ裏面を凸状に、レンズ表面４ａを平面状に形成し、Ｒ１＝∞かつＲ２＜０の場合の光路のシミュレーション図である。図５−１から図５−３までにおいて、第１端面部４１は第２リレーレンズ部４に入射する光束の出射される面を模式化したものであり、第２端面部４２は第２リレーレンズ部４から出射される光束の照射される面を模式化したものである。すなわち図５−１から図５−３に示す第１端面部４１は図１におけるロッドインテグレータ２の出射面２ｂに対応し、図５−１から図５−３に示す第２端面部４２は図１におけるＤＭＤ部６の表面部に対応する。また、第１端面部４１上の３点からは第２リレーレンズ部４に向けて出射光束４３が出射され、第２端面部４２上の４点には第２リレーレンズ部４で反射された入射光束４４が入射する。なお、図５−１から図５−３の第２リレーレンズ部４の厚み方向（図５−１から図５−３までの左右方向）は最適化されているため、第２リレーレンズ部４の厚さおよび第１端面部４１と第２端面部４２との間隔はそれぞれ異なった状態で表示されている。
【００５５】
図５−１から図５−３を対比すると、図５−１においては、入射光束４４はいずれも第２端面部４２上で略一点にほぼ収束しているのに対し、図５−２および図５−３においては、入射光束４４は第２端面部４２上で略一点に収束していない（特に一番下および下から３番目の入射光束４４に顕著にみられる。）。したがって、図５−１から図５−３までに示すシミュレーション結果においては、図５−１の状態が第２端面部４２における非点収差が生じにくいことが判る。
【００５６】
図６は、第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ｂをミラー面に形成したときの、レンズ表面４ａおよびレンズ表面４ｂの形状と、メリジオナル面およびサジタル面の結像位置とを示すシミュレーション図である。図６−１は、第２リレーレンズ部４の曲率半径が図６−１の場合と同じくＲ２＞Ｒ１＞０である場合のメリジオナル面およびサジタル面の結像位置を示すシミュレーション図であり、図６−２は第２リレーレンズ部４の曲率半径が図５−２の場合と同じく−Ｒ２＝Ｒ１＞０である場合のメリジオナル面およびサジタル面の結像位置を示すシミュレーション図であり、図６−３は第２リレーレンズ部４の曲率半径が図５−３の場合と同じくＲ１＝∞かつＲ２＜０である場合のメリジオナル面およびサジタル面の結像位置を示すシミュレーション図である。図６−１から図６−３までにおいては、ｘ軸（横軸）のパラメータは第２リレーレンズ部４の光軸方向の距離をあらわし、ｙ軸（縦軸）のパラメータは第２リレーレンズ部４の光軸に対し垂直方向の距離をあらわしている。図６−１から図６−３において、メリジオナル面の値とサジタル面の値とが一致していれば、結像した像には非点収差が発生しないことを示し、メリジオナル面の値とサジタル面の値との間にずれが生じていれば、結像した像にはずれの大きさに依存した非点収差が生じていることを示している。
【００５７】
図６−１から図６−３までを対比すると、図６−１においてはメリジオナル面の曲線とサジタル面の曲線とはほぼ同一の形状であってほぼ完全に重なっているのに対し、図６−２および図６−３においてはメリジオナル面の曲線とサジタル面の曲線とはｘ軸方向およびｙ軸方向の値の大きさに依存してずれが生じ曲線同士が徐々に離間していく形状を呈している。したがって、図６−１から図６−３に示すシミュレーション結果においては、図６−１の状態が最もメリジオナル面とサジタル面との光束のずれが少なく、非点収差が少ないことが判る。
【００５８】
図７は、第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ｂをミラー面に形成したときの、レンズ表面４ａおよびレンズ表面４ｂの形状と、ＤＭＤ部６の表面部に結像する像の面内照度分布とを示すシミュレーション図である。図７において、太い実線は第２リレーレンズ部４が図５−１および図６−１に示す場合と同様にＲ２＞Ｒ１＞０である場合のＤＭＤ部６の面内照度分布を示し、点線は第２リレーレンズ部４が図５−２および図６−２に示す場合と同様に−Ｒ２＝Ｒ１＞０である場合のＤＭＤ部６の面内照度分布を示し、細い実線は第２リレーレンズ部４が図５−３および図６−３に示す場合と同様にＲ２＜０かつＲ１＝∞である場合のＤＭＤ部６の面内照度分布を示している。図７においては、横軸が基準点（光束が照射されるＤＭＤ部６の略中央部分）からの距離を−１＜x＜１の間で正規化した値を示し、縦軸がＤＭＤ部６における照度を０＜ｙ＜１の間で正規化した値を示している。面内照度分布を示す線は、線の立ち上がりと立ち下がりが垂直に近いほど面内照度分布が均一に近く、照度ムラが生じていないことを示している。
【００５９】
図７においては、Ｒ２＞Ｒ１＞０の場合の面内照度分布の曲線が、最も立ち上がりと立ち下がりが垂直に近く、−Ｒ２＝Ｒ１＞０である場合、Ｒ１＝∞かつＲ２＜０である場合の順に立ち上がりと立ち下がりが垂直でなくなっている。図７に示すシミュレーション結果により、第２リレーレンズ部４がＲ２＞Ｒ１＞０の場合すなわち（４）式の関係を満たす場合にＤＭＤ部６の面内照度分布が最も均一化し、照度ムラが生じないことが判る。
【００６０】
図５から図７までの結果からも、第２リレーレンズ部４において上記（４）式の関係が成立するように曲率半径Ｒ１、Ｒ２を決定したほうが、非点収差の影響が少なく、かつＤＭＤ部６の表面部における像面の照度分布が良くなることが確認できる。
【００６１】
なお、上記（４）式は光学的見地のみに基づく結果であり、実際の光学照明系においては光学系以外の要因が加味され上記（４）式が修正されて適用される場合もある。たとえば第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ｂにダイクロイックミラーを蒸着してミラー面を形成する場合には、蒸着面にカーブがあるよりも平面である方が膜厚ムラなどの問題が生じることなく高品位のミラー面を形成できるため、Ｒ２＝∞かつＲ１＞０であることが品質の高い照明光学系を形成するうえで最適となる。
【００６２】
ここで、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂの結像倍率と光路長との関係について検討する。
【００６３】
図８に、図１に示す本発明の本実施の形態に係る照明光学系１Ｂの結像倍率に対する光路長と、図１０に示す従来の照明光学系１００Ｂにおける結像倍率に対する光路長とのシミュレーション結果を示す。図８においては、横軸が結像倍率を示し、縦軸が光路長を示し、点線のグラフは従来の照明光学系１００Ｂのシミュレーション結果を示し、実線のグラフは本発明に係る照明光学系１Ｂのシミュレーション結果を示している。なお、図８においては、両グラフは図１０に示す従来の照明光学系１００Ｂの結像倍率β＝1のときの光路長を１に規格化した値として示されている。
【００６４】
図８のシミュレーション結果によると、本発明に係る照明光学系１Ｂは、結像倍率をβとしたとき、β≦1.5のときに従来の照明光学系１００Ｂよりも光路長が短くなっている。したがって、本発明に係る照明光学系１Ｂの装置の大きさは、結像倍率β≦1.5のときに従来の照明光学系１００Ｂよりも小型に形成できることがわかる。
【００６５】
以上、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、第１リレーレンズ部３、第２リレーレンズ部４、フィールドレンズ部５の３枚のレンズから構成し、そのうち光路上２番目のレンズである第２リレーレンズ部４をミラーレンズ部とすることにより、ロッドインテグレータ２からＤＭＤ部６の表面部に対する結像倍率が低くても、レンズ相互間の焦点距離を短く形成することができ、投射型照明装置１Ａや照明光学系１Ｂの装置を小型に形成することができる。
【００６６】
本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａの曲率半径をＲ１とし、レンズ表面４ｂの曲率半径をＲ２としたとき、｜Ｒ２｜＞Ｒ１＞０とすることにより、非点収差の発生を防止し、輝度ムラやコントラストムラの発生を防止してＤＭＤ部６の表面部やスクリーンなど光束照射面における照度ムラの発生を防止することができる。また、｜Ｒ２｜＞Ｒ１＞０とすることにより、少ないレンズ枚数でも結像性能を向上させることができるので、照明光学系１Ｂや投射型照明装置１Ａの装置を小型化するために有利になる。
【００６７】
本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、結像倍率βをβ≦1.5とすることにより、照明光学系１Ｂの光路長を従来の照明光学系１００Ｂよりも短く形成することができ、照明光学系１Ｂや投射型照明装置１Ａの装置の光路長方向の大きさを小型に形成することができる。
【００６８】
本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、絞り位置を光路上２番目のレンズである第２リレーレンズ部４の近傍に設けることにより、レンズ相互間の焦点距離を短く形成し照明光学系１Ｂおよび投射型照明装置１Ａを小型に形成することが可能になる。
【００６９】
なお、図１に示す本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａをすべて同一の曲率半径に形成したが、これに限定されず、図９に示すように、第２リレーレンズ部４における光束の入射位置と光束の出射位置とを完全に分離し、レンズ表面４ａの表面形状を、光束が入射する光束入射面４ｃと光束が出射する光束出射面４ｄとが異なる曲率半径を有する複合曲面に形成することもできる。
【００７０】
図９に示すように、レンズ表面４ａの曲率半径を光束入射面４ｃと光束出射面４ｄとで異ならせることにより、第２リレーレンズ部４における非点収差などの各種収差の抑止効果を高めることができる。また、レンズ表面が均等な曲率半径である場合よりも光を集光するパワーを自由に調整できるので、第２リレーレンズ部４を形成する材料に一層の選択の幅を持たせることができる。
【００７１】
なお、図１に示す、本実施の形態に係る投射型表示装置１Ａにおいては光源部１にＬＥＤを用いた光源を用いたが、これに限定されず、図２に示す従来例と同様に、白色光を発する超高圧水銀ランプ等を光源部に用いてもよい。
【００７２】
また、図１および図２に示す、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、第２レンズ部のミラー面は第２リレーレンズ部４のレンズ裏面４ｂに金属を蒸着して形成したが、ミラー面は第２リレーレンズ部４に接合されていなくてもよく、第２リレーレンズ部４と別個にミラー面が設けられた構成とし、第２リレーレンズ部４のレンズ表面４ａから入射した光束がレンズ裏面４ｂから出射してミラー面に反射するものとしてもよい。
【００７３】
また、図１および図２に示す、本実施の形態に係る照明光学系１Ｂにおいては、ロッドインテグレータ２の出射面２ｂにＲＧＢのカラーホイールを設けない構成としたが、図２に示す従来例と同様にカラーホイールを設けた構成としてもよい。特に光源部に白色光を用いる場合には、図２に示す従来例と同様にカラーホイールを設けた方が光束の量やＲＧＢごとの階調の制御を容易に行える点で望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、投射型表示装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る照明光学系の上面図および右側面図の構成概略図である。
【図３】同上照明光学系のＤＭＤ部の概略を示す部分拡大図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の光源部の拡大図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る照明光学系において、第２リレーレンズ部のレンズ表面およびレンズ表面の形状と、第２リレーレンズ部に入射および出射する光束の光路のシミュレーション図である。
【図６】同上照明光学系において、第２リレーレンズ部のレンズ表面およびレンズ表面の形状と、メリジオナル面およびサジタル面の結像位置とを示すシミュレーション図である。
【図７】同上照明光学系において、レンズ表面およびレンズ表面の形状と、ＤＭＤ部の表面部に結像する像の面内照度分布を示すシミュレーション図である。
【図８】本発明に係る照明光学系の結像倍率に対する光路長と、従来の照明光学系における結像倍率に対する光路長とのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明に係る照明光学系の第２リレーレンズを複合曲面に形成した場合の構成概略図である。
【図１０】従来の投射型照明装置および従来の照明光学系の構成概略図である。
【図１１】光学系のレンズにおける焦点距離と結像倍率との関係の原理図である。
【符号の説明】
【００７６】
１Ａ・・・投射型表示装置、１Ｂ・・・照明光学系、１・・・光源部、
２・・・ロッドインテグレータ（インテグレータ部）、２ｂ・・・出射面、３・・・第１リレーレンズ（第１レンズ部）、４・・・第２リレーレンズ（第２レンズ部）、４ａ・・・レンズ表面、４ｂ・・・レンズ裏面、４ｃ・・・光束入射面、４ｄ・・・光束出射面、５・・・フィールドレンズ部（第３レンズ部）、６・・・ＤＭＤ部（反射型表示素子部）、７・・・投射レンズ、１００Ａ・・・投射型表示装置、１Ｂ・・・照明光学系、１０１・・・光源部、１０３・・・インテグレータ部、１０５・・・第１リレーレンズ部（第１レンズ部）、１０６・・・第２リレーレンズ部（第２レンズ部）、１０７・・・フィールドレンズ部（第３レンズ部）、１０８・・・ＤＭＤ部（反射型表示素子部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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